山西陽高杏花期前氣溫對花期的影響及花期凍害風險分析*

李效珍，李子龍，李臘平，王志偉，張 勛，劉 鵬

（1 大同市氣象局，山西 037010）（2 山西省氣象局）

國內(nèi)外大量研究結(jié)果表明，自20 世紀80 年代以來，氣候變暖使許多物候現(xiàn)象發(fā)生了明顯變化，春季物候期提前，秋季物候期推遲，植物的生長季節(jié)延長。有許多學者報道，冬春季氣溫變化對植物春季物候（如發(fā)芽、開花期）的影響最顯著[1]。樊曉春等[2]指出，黃土高原冬季負積溫與作物發(fā)育期呈負相關(guān)，冬季積溫偏高，作物發(fā)育期將普遍提前。藏海佳等[3]指出，春季氣溫升高和3 月水汽壓增大，是近29 年山東地區(qū)春季物候提前的可能原因。國內(nèi)外許多學者[4-6]對我國不同地區(qū)植物物候期變化趨勢的研究表明，春季物候期大多表現(xiàn)為提前趨勢。李芬等[7-9]、錢錦霞等[10]研究表明，山西終霜凍普遍為提前趨勢，中西部有推后趨勢。在植物物候期和終霜凍普遍提前的情況下，由氣候變化造成的極端凍害天氣風險加大。

山西省大同市屬于“三北防護林地區(qū)”，重點發(fā)展杏產(chǎn)業(yè)，全市杏樹種植面積3.3 萬hm2，占全市果樹總面積的80%以上，其中，陽高縣杏樹種植面積達1 萬hm2。陽高縣杏樹花期一般在4 月上中旬，呈提前趨勢，此時正值冬春季節(jié)轉(zhuǎn)換，冷空氣活動頻繁，極易造成霜凍，花期凍害已成為近年來陽高縣杏樹減產(chǎn)的主要氣象災(zāi)害，嚴重制約了杏產(chǎn)業(yè)發(fā)展。由于杏樹物候數(shù)據(jù)較為缺乏，難以進行物候趨勢分析。熱時模型由于參數(shù)簡單、方差解釋率和準確率較高被廣泛應(yīng)用。我們應(yīng)用熱時模型重構(gòu)了陽高縣的杏花期，并研究了陽高縣杏花期凍害情況。

1 資料與方法

1.1 陽高縣氣候概況

陽高縣海拔1 008.0～2 420.5 m，平均年日照時數(shù)2 621.5 h，年平均氣溫7.2 ℃，春季（3—5 月）極端最低氣溫-21.4 ℃，極端最高氣溫35.6 ℃，平均年降水量381.1 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來源

陽高縣杏花期物候數(shù)據(jù)來源于孟明2006—2021 年的觀測記錄，氣象資料（逐日平均氣溫、逐日最低氣溫、逐日最高氣溫、日照時數(shù)、日降水量）來源于大同市氣象局資料室。

1.3 研究方法

1.3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計標準、方法

氣象資料時間為1981 年1 月1 日至2021 年5月31 日。所用氣象平均值為1991—2020 年統(tǒng)計值，用線性趨勢法、回歸分析法對資料進行分析。冬季劃分標準，上年12 月至當年2 月；春季劃分標準，3—5 月。本文將杏樹盛花期或幼果期統(tǒng)稱為杏花期。

1.3.2 利用熱時物候模型重構(gòu)杏花期

為解決杏花期數(shù)據(jù)時間序列較短的問題，利用逐日平均氣溫通過熱時物候模型重構(gòu)杏花期物候時間序列。熱時物候模型包括t0、Tb、G 3 個參數(shù)，計算式如下。

式中，G為植物發(fā)育到指定物候期所需積溫（℃?d）；y是預(yù)測的植物物候期（d）；Xt 為第t日的日平均氣溫（℃）；c（Xt）為高于臨界溫度的積溫（℃?d），代表作物的發(fā)育進程，t0 是積溫開始日期（日序，單位d）；Tb 為盛花期發(fā)育的臨界溫度（℃）；當c（Xt）的累加達到預(yù)先設(shè)定的積溫閾值G時，對應(yīng)的日期即為預(yù)測盛花期y（d）。

1.3.3 杏花期或幼果期凍害指標的溫度閾值

朱琳等[11]根據(jù)陜北部分地區(qū)仁用杏生產(chǎn)調(diào)查及有關(guān)文獻得出，花期受凍的臨界氣溫為-2 ℃，凍死率為50%時的氣溫為-3 ℃，幼果期受凍臨界氣溫為0 ℃。楊振德[12]在寧夏彭陽杏樹花期調(diào)查時指出，氣溫為-2 ℃時為輕度受凍，氣溫為-3 ℃時為重度受凍。本文參照前人研究結(jié)果，結(jié)合近幾年凍害調(diào)查，將杏花期凍害指標閾值分為3 個等級，即-2 ℃＜日最低氣溫≤0 ℃時為輕度凍害，-3 ℃＜日最低氣溫≤-2 ℃時為中度凍害，日最低氣溫≤-3 ℃時為重度凍害。利用陽高縣逐日最低氣溫提取0、-2、-3 ℃3 個等級上限閾值在每年4—5 月最后1 次出現(xiàn)的凍害日，形成不同等級的花期凍害終日序列，在每年春季最后1 次出現(xiàn)的日最低氣溫≤0 ℃凍害日，形成花期總凍害終日序列。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同時段溫度、降水、日照時數(shù)對杏花期的影響

2.1.1 冬春季正負積溫對杏花期的影響

由于陽高縣杏花期一般在4 月上旬或中旬，最早在4 月初，為了使分析結(jié)論具有一定的提前量，以下選取花期前的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)截止時間為歷年的3 月底。

果樹在冬季進入休眠狀態(tài)，花芽需要經(jīng)歷一定的低溫，需要一定的冷量來解除休眠，在滿足了需冷量以后，還需一定的熱量才能開花[13-15]。本文通過對花期前負積溫（上年12 月至當年3 月）與花期日序（2006—2021 年）進行相關(guān)分析得出，花期前負積溫與杏花期呈負相關(guān)，并通過了0.01 的顯著性檢驗，二者的關(guān)系式為y＝-0.036x＋83.287，即花期前負積溫越大，花期越提前。同時分析了花期前穩(wěn)定通過0 ℃積溫（穩(wěn)定通過0 ℃初日至3 月底積溫），花期前穩(wěn)定通過0 ℃積溫與杏花期日序數(shù)呈負相關(guān)，并通過了0.01 的顯著性檢驗，二者的關(guān)系式為y＝-0.123x＋121.909，即花期前穩(wěn)定通過0 ℃積溫越大，花期越提前。

2.1.2 不同時段氣溫、降水、日照與花期日序的相關(guān)性

利用不同時段氣溫、降水、日照時數(shù)與杏花期日序數(shù)進行相關(guān)分析（表1）發(fā)現(xiàn)，花期前不同時段氣溫、0 ℃初日至3 月底積溫、上年12 月至3月底負積溫、0 ℃初日至3 月底降水量、0 ℃初日至3 月底有效日照時數(shù)均與杏花期日序呈負相關(guān)，除0 ℃初日至3 月底降水量外，相關(guān)系數(shù)均為顯著或極顯著，其中3 月平均氣溫與杏花期日序相關(guān)性最高，為極顯著。說明，花期前3 月氣溫越高，杏花期越提前。

表1 杏花期日序數(shù)與不同時段氣溫和積溫的相關(guān)系數(shù)

2.2 利用熱時物候模型重構(gòu)杏花期日序變化趨勢

由于花期日序數(shù)與溫度因子相關(guān)度高，因此利用陽高縣逐日平均氣溫，通過熱時物候模型重構(gòu)杏花盛花期時間序列，并分析其線性變化趨勢。1981—2021 年陽高縣杏花期總體呈提前趨勢，提前速率為2.758 d/10 年（P＜0.01），杏花期由20 世紀80年代4 月21 日（111 d）左右，到21 世紀提前至4月13 日（103 d）左右，提前約8 d。

2.3 重構(gòu)杏花期與實際花期對比

用熱時物候模型重構(gòu)的杏花期與實際觀測的杏花期進行對比發(fā)現(xiàn)（圖1），模擬花期較實際花期平均偏早2 d 左右，模擬誤差≤4 d 和≤7 d 的準確率分別為63%和100%。雷延鵬等[13]利用延安市洛川縣、安賽區(qū)多年蘋果物候和氣象數(shù)據(jù)，將48 h 內(nèi)日最低氣溫下降8 ℃以上、最低氣溫≤4 ℃的天氣確定為1 次劇烈降溫過程，分析氣溫對蘋果開花時間的影響，指出“1 次降溫天氣可延遲花期3～6 d”，而陽高縣春季此種降溫過程幾乎每年都有，因此本模型若將劇烈降溫對花期的影響考慮在內(nèi)，則模擬花期接近實測花期。

圖1 熱時物候模型重構(gòu)花期與實際花期的對比

進一步對近5 年（2017—2021 年）熱時物候模型重構(gòu)的杏花期與實際觀測的杏花期對比（表2）可以看出，近5 年中用熱時物候模型重構(gòu)的杏花期有4 年比實際花期偏早，誤差值介于0～5 d，平均誤差2.6 d，而2019 年模擬花期與實測花期完全相同，說明重構(gòu)花期方法科學可行，可應(yīng)用于杏花期預(yù)測及花期凍害預(yù)防氣象服務(wù)中。

表2 重構(gòu)陽高縣2017—2021 年杏花期與實際觀測杏花期對比

2.4 不同等級凍害溫度對應(yīng)終日及其變化趨勢

利用陽高縣逐日最低氣溫提取-3、-2、0 ℃重、中、輕凍害等級上限閾值在每年春季最后1 次出現(xiàn)時的日序值，形成不同等級凍害終日序列。1981—2021 年不同等級凍害終日序列（輕度、中度、重度、總凍害，圖2）氣候傾向率分別為-2.253/10 年、-2.625/10 年、-3.066/10 年，其中重度凍害終日提前趨勢明顯，由20 世紀80 年代的4 月14 日（104 d），21 世紀提前到4 月3 日（93 d），提前10 d 以上，通過P＜0.05 的顯著性檢驗，總凍害終日提前趨勢顯著，通過P＜0.01 的顯著性檢驗，而輕度、中度凍害終日提前趨勢不顯著，未通過P＜0.05 的顯著性檢驗。同時將不同等級凍害終日趨勢與杏花期提前趨勢（2.758 d/10 年）對比發(fā)現(xiàn)，重度凍害終日、總凍害終日提前趨勢大于花期提前趨勢，中度凍害終日提前趨勢與花期提前趨勢接近，而輕度凍害終日提前趨勢則慢于花期提前趨勢，說明花期輕度凍害的幾率最大。

圖2 歷年花期日序與輕度、中度、重度、總凍害終日日序?qū)Ρ融厔?/p>

2.5 凍害風險分析

本文定義：凍害風險為不同等級凍害終日日序與杏花期日序之差，將凍害風險等級劃分為3 級，具體劃分標準見表3；總凍害風險指每年春季4—5月最后1 次出現(xiàn)的凍害日（日最低氣溫≤0 ℃）對應(yīng)的日序與杏花期日序之差，劃分標準與上面方法一致（表3）。按照表3 凍害風險等級劃分，各級凍害終日日序與杏花期日序差值＜0，表明凍害溫度閾值之內(nèi)的凍害天氣早于杏花期，杏花受凍風險較低[16-17]；0≤差值≤3，表明凍害溫度閾值之內(nèi)的凍害天氣晚于杏花期1～3 d，杏花期凍害風險為中度；差值＞3，表明凍害溫度閾值之內(nèi)的凍害天氣晚于杏花期3 d 以上，杏花期凍害風險等級為高度風險。因為隨著發(fā)育期進程的推進，杏器官抗寒能力逐漸降低[11]，造成的凍害越重。分析表明，輕度凍害風險、中度凍害風險呈弱的增加趨勢，氣候傾向率分別為0.406/10 年、0.033/10 年，重度凍害風險和總凍害風險呈弱的降低趨勢，氣候傾向率分別為-0.408/10 年、-0.909/10 年，總的來說，不同等級凍害風險變化趨勢均不顯著，均未通過P＝0.05的顯著性檢驗，說明杏花期凍害風險存在一定的不確定性。

表3 凍害風險等級劃分、氣候傾向率

統(tǒng)計1981—2021 年期間各級凍害風險次數(shù)（表4），輕度凍害低度風險、中度風險、高度風險的次數(shù)依次為17、6、18 次；中度凍害低度風險、中度風險、高度風險的次數(shù)依次為32、4、5 次；重度凍害低度風險、中度風險、高度風險的次數(shù)依次為35、2、4 次；總凍害低度風險、中度風險、高度風險的次數(shù)依次為12、4、25 次。從以上統(tǒng)計可以看出，不同凍害各級風險發(fā)生次數(shù)，低度風險次數(shù)最多，高度風險次之，中度風險最少，即陽高縣杏花期發(fā)生的凍害，多數(shù)為低風險凍害，其次是高風險凍害。

表4 1981—2021 年陽高縣不同凍害終日對應(yīng)的各級風險次數(shù)

3 結(jié)論

花期前不同時段溫度、日照時數(shù)均與杏花期日序呈負相關(guān)，說明花期前溫度越高、光照充足，越有利于杏樹提前進入花期；同時春季回暖越早，杏花期越早。

通過熱時模型重構(gòu)的杏花期比實際花期平均提前約2 d，若考慮降溫對花期的影響，模擬花期基本接近實測花期。由于杏花期日序與不同時段的溫度相關(guān)度較高，而與降水相關(guān)度較低，因此在實際工作中，可利用熱時模型預(yù)報杏樹物候期，結(jié)合中短期預(yù)報，可實現(xiàn)杏花期凍害的預(yù)測與預(yù)防。

不同凍害各級風險發(fā)生次數(shù)，低度風險次數(shù)最多，高度風險次之，中度風險最少；輕度、中度凍害風險均呈弱的增加趨勢，重度和總凍害風險均呈弱的降低趨勢，總的來說增加和降低的趨勢都不顯著，說明杏花期各級凍害的風險存在一定的不確定性。

由于杏樹花期物候資料有限，還需積累更多的杏花期物候資料，不同等級凍害溫度閾值有待做進一步的檢驗訂正，以期提高杏花期凍害的預(yù)測與預(yù)防能力。